基于MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路

功率MOSFET具有開(kāi)關(guān)速度快，導(dǎo)通電阻小等優(yōu)點(diǎn)，因此在開(kāi)關(guān)電源，馬達(dá)控制等電子系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣。通常在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，電子工程師對(duì)其的驅(qū)動(dòng)電路以及驅(qū)動(dòng)電路的參數(shù)調(diào)整并不是十分關(guān)注，尤其是從來(lái)沒(méi)有基于MOSFET內(nèi)部的微觀(guān)結(jié)構(gòu)去考慮驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致在實(shí)際的應(yīng)用中，MOSFET產(chǎn)生一定的失效率。本文將討論這些細(xì)節(jié)的問(wèn)題，從而優(yōu)化MOSFET的驅(qū)動(dòng)性能，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

功率MOSFET的柵極模型

通常從外部來(lái)看，MOSFET是一個(gè)獨(dú)立的器件，事實(shí)上，在其內(nèi)部，由許多個(gè)單元(小的MOSFET)并聯(lián)組成,圖1(a)為AOT460內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)圖，其內(nèi)部的柵極等效模型如圖1(b)所示。MOSFET的結(jié)構(gòu)確定了其柵極電路為RC網(wǎng)絡(luò)。

圖1：AOT460顯微結(jié)構(gòu)圖及柵極等效模型。

　　在MOSFET關(guān)斷過(guò)程中，MOSFET的柵極電壓VGS下降，從其等效模型可以得出，在晶元邊緣的單元首先達(dá)到柵極關(guān)斷電壓VTH而先關(guān)斷,中間的單元由于RC網(wǎng)絡(luò)的延遲作用而滯后達(dá)到柵極關(guān)斷電壓VTH而后關(guān)斷。

圖2：MOSFET關(guān)斷時(shí)的電流分布。

如果MOSFET所加的負(fù)載為感性負(fù)載，由于電感電流不能突變，導(dǎo)致流過(guò)MOSFET的電流向晶元的中間流動(dòng)，如圖2所示。這樣就會(huì)造成MOSFET局部單元過(guò)熱而導(dǎo)致MOSFET局部單元損壞。如果加快MOSFET的關(guān)斷速度，以盡量讓MOSFET快速關(guān)斷，不讓能量產(chǎn)生集聚點(diǎn)，這樣就不會(huì)因局部單元過(guò)熱而損壞MOSFET。注意到：MOSFET的關(guān)斷過(guò)程是一個(gè)由穩(wěn)態(tài)向非穩(wěn)態(tài)過(guò)渡的過(guò)程，與此相反，MOSFET在開(kāi)通時(shí)，由于負(fù)載的電流是隨著單元的逐漸開(kāi)通而不斷增加的，因此是一個(gè)向穩(wěn)態(tài)過(guò)渡的過(guò)程，不會(huì)出現(xiàn)關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的能量集聚點(diǎn)。

因此，MOSFET在關(guān)斷時(shí)應(yīng)提供足夠的放電電流讓其快速關(guān)斷，這樣做不僅是為了提高開(kāi)關(guān)速度而降低開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)也是為了讓非穩(wěn)態(tài)過(guò)程盡量短，不至產(chǎn)生局部過(guò)熱點(diǎn)。

功率MOSFET熱不穩(wěn)定性

圖3：MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。

　　圖3為MOSFET處于飽和區(qū)時(shí)漏極電流ID與柵極電壓VGS的關(guān)系曲線(xiàn)即轉(zhuǎn)移特性，用公式可表示為：

其中，，對(duì)于特定的MOSFET，K為常數(shù)。因此，MOSFET處于飽和狀態(tài)時(shí)ID與VGS是平方的關(guān)系。

　　由圖3可知，當(dāng)MOSFET處于飽和區(qū)并且IDID0時(shí)，ID隨溫度的變化是負(fù)溫度系數(shù)。因?yàn)镸OSFET是由很多的小的單元組成，當(dāng)ID

應(yīng)用實(shí)例

　　圖4是電動(dòng)車(chē)控制器的兩種驅(qū)動(dòng)MOSFET管AOT460驅(qū)動(dòng)電路，分立器件驅(qū)動(dòng)時(shí)，PWM在上橋臂，直接用MC33035驅(qū)動(dòng)時(shí)，PWM在下橋臂。

圖4：AOT460驅(qū)動(dòng)電路。

　　圖4(a)當(dāng)MOSFET管AOT460關(guān)斷時(shí)，柵極通過(guò)Q5直接放電。圖4(b)驅(qū)動(dòng)電路中，當(dāng)MOSFET管AOT460關(guān)斷時(shí)，柵極電流通過(guò)電阻R6和MC33035的下驅(qū)動(dòng)對(duì)地放電。由于MOSFET管AOT460在關(guān)斷時(shí)電流迅速減小，會(huì)在PCB和電流檢測(cè)電阻的寄生電感上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)的大小為L(zhǎng)di/dt，方向如圖紅線(xiàn)所示。這樣會(huì)使MOSFET管AOT460的源極和MC33035驅(qū)動(dòng)的參考電位發(fā)生相對(duì)變化，這種變化降低了MC33035相對(duì)于MOSFET管AOT460源極的驅(qū)動(dòng)電壓，從而降低了驅(qū)動(dòng)能力，使關(guān)斷速度變慢。

兩種電路的關(guān)斷波形如圖5所示。在圖5(b)中，當(dāng)VGS低于米勒平臺(tái)之后，電阻R6兩端的電壓，即圖5(b)中CH1和CH3的電位差變小，由于反電勢(shì)的影響，驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路已經(jīng)幾乎不能通過(guò)電阻R6給柵極提供放電電流，導(dǎo)致MOSFET的關(guān)斷變慢。(注：測(cè)試波形時(shí)探頭的地線(xiàn)均夾在MOSFET的源極)

圖5：AOT460驅(qū)動(dòng)波形。

圖6：AOT460快速和慢速開(kāi)關(guān)熱成像圖。

　　圖6為AOT460在同一應(yīng)用中快速開(kāi)關(guān)和慢速開(kāi)關(guān)情況下的熱成像照片?？梢钥闯?，在慢速開(kāi)關(guān)情況下MOSFET的局部溫度要高于快速開(kāi)關(guān)情況下的溫度，過(guò)慢的開(kāi)關(guān)速度會(huì)導(dǎo)致MOSFET因局部溫度過(guò)高而提前失效。

本文小結(jié)

　?、龠^(guò)慢的開(kāi)關(guān)速度增加MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)由于柵極RC網(wǎng)絡(luò)延遲和MOSFET本身的熱不穩(wěn)定性產(chǎn)生局部過(guò)熱，使MOSFET提前失效。

　?、谶^(guò)快的開(kāi)通速度產(chǎn)生較大開(kāi)通的浪涌電流以及開(kāi)關(guān)振鈴及電壓尖峰。

　?、墼O(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路和ＰＣＢ布線(xiàn)時(shí)，減小主回路ＰＣＢ和電流檢測(cè)電阻的寄生電感對(duì)開(kāi)關(guān)波形的影響，布線(xiàn)時(shí)應(yīng)使大電流環(huán)路盡量小并且使用較寬的走線(xiàn)。